近日，麻省理工學院(MIT)的研究人員宣布研發了一款利用太赫茲頻段的新型芯片，該芯片作為喚醒接收器，其功耗僅為幾微瓦，能夠在很大程度上支持微型傳感器的有效運行，進一步擴大了物聯網的應用范疇。在筆者看來，這一器件的創新，也在很大程度上成為無源物聯網的一個突破，尤其是支持面向6G的無源物聯網(wang)場景。
MIT新型接收芯片進一步擴展物聯網應用范圍
在物(wu)聯(lian)網發展(zhan)過程中，物(wu)聯(lian)網設備(bei)小(xiao)型(xing)(xing)化(hua)是產業發展(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)一個重(zhong)要(yao)方向。物(wu)聯(lian)網需(xu)要(yao)服務于各行各業，由于自(zi)然(ran)環(huan)境和(he)行業自(zi)身(shen)特點的(de)(de)(de)(de)(de)限(xian)制，大量(liang)(liang)場(chang)景需(xu)要(yao)非常(chang)小(xiao)型(xing)(xing)化(hua)、微型(xing)(xing)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)傳感器，而這(zhe)些傳感器往往部署(shu)在無(wu)法持續供電(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)場(chang)景，需(xu)要(yao)小(xiao)體積電(dian)池或外(wai)部環(huan)境能量(liang)(liang)源來供電(dian)。在這(zhe)種情況下(xia)，超(chao)低(di)功(gong)耗的(de)(de)(de)(de)(de)設計(ji)就(jiu)非常(chang)重(zhong)要(yao)，尤其是一些無(wu)需(xu)實時(shi)在線采集數據的(de)(de)(de)(de)(de)傳感器，在不工(gong)作(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)段保持休(xiu)眠，需(xu)要(yao)工(gong)作(zuo)時(shi)再(zai)由專門的(de)(de)(de)(de)(de)器件“喚醒”，從而達(da)到(dao)節電(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)，超(chao)低(di)功(gong)耗的(de)(de)(de)(de)(de)喚醒芯片就(jiu)發揮(hui)了核心作(zuo)用(yong)。
本次MIT研究人員成功研發(fa)的(de)(de)這款(kuan)(kuan)器(qi)件就(jiu)是一款(kuan)(kuan)喚(huan)醒的(de)(de)接(jie)收(shou)器(qi)，與微型傳(chuan)感器(qi)集(ji)成，在(zai)接(jie)收(shou)到指令(ling)后喚(huan)醒傳(chuan)感器(qi)完成數據的(de)(de)采集(ji)和傳(chuan)輸。這款(kuan)(kuan)芯(xin)片的(de)(de)特點包括：
(1)大幅減小器件尺寸，與微型傳感器能夠適配
由于所使用(yong)頻(pin)段(duan)的(de)(de)原因，許多常(chang)見喚(huan)醒(xing)接收器(qi)的(de)(de)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)大多以厘米為單位。接收器(qi)的(de)(de)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)與通信的(de)(de)無線電波(bo)長密(mi)切相關，MIT這一款接收器(qi)利用(yong)太赫茲(zi)頻(pin)段(duan)來喚(huan)醒(xing)，太赫茲(zi)由于波(bo)長極(ji)短，因此(ci)所需的(de)(de)天線尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)非(fei)常(chang)小，易于在較(jiao)小的(de)(de)空間內實現(xian)集成，大幅(fu)縮減器(qi)件的(de)(de)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)。
MIT研(yan)究人(ren)員提(ti)到(dao)(dao)：通過使用太赫茲頻率，我(wo)們可以(yi)制造(zao)出僅幾百微(wei)(wei)米的天線(xian)，這(zhe)是一(yi)個非(fei)常小(xiao)的尺寸，這(zhe)意味著我(wo)們可以(yi)將這(zhe)些天線(xian)集成(cheng)到(dao)(dao)微(wei)(wei)型(xing)(xing)芯片上，從(cong)而創建完全集成(cheng)的解決方案(an)，最終這(zhe)使我(wo)們能夠打(da)造(zao)一(yi)款(kuan)非(fei)常微(wei)(wei)型(xing)(xing)化的喚醒接(jie)收器，它可以(yi)連(lian)接(jie)小(xiao)型(xing)(xing)傳感器或無線(xian)電(dian)設(she)備。
雖(sui)然這款(kuan)芯(xin)片(pian)(pian)上集(ji)成了兩個天線，但其尺寸也(ye)僅有(you)1.54平方毫米(mi)，是常(chang)見的(de)喚(huan)醒接收器(qi)(qi)尺寸的(de)十(shi)分之(zhi)一。而(er)且研究人員(yuan)利用(yong)這款(kuan)喚(huan)醒接收器(qi)(qi)驗證(zheng)了與數米(mi)外信號(hao)源的(de)有(you)效(xiao)的(de)無線通信，展示了這款(kuan)芯(xin)片(pian)(pian)能夠用(yong)于微型傳感器(qi)(qi)的(de)有(you)效(xiao)范圍(wei)。
目前，不少采(cai)用(yong)MEMS工藝的(de)(de)傳感器的(de)(de)尺(chi)寸也(ye)可以(yi)做到(dao)毫米級，與這款(kuan)喚醒接收(shou)器的(de)(de)集成(cheng)，能夠支持大(da)量需要小尺(chi)寸器件的(de)(de)物聯(lian)網場景。
(2)極低功耗，能夠適應多樣化供電方案
由于(yu)太(tai)赫(he)茲頻(pin)段較高(gao)，因此太(tai)赫(he)茲調(diao)制過(guo)(guo)程(cheng)較為復雜。MIT研究(jiu)人(ren)員(yuan)認為，通過(guo)(guo)混頻(pin)調(diao)制的(de)形勢，會消(xiao)耗大量的(de)功(gong)(gong)率(lv)，不利于(yu)接(jie)收器低功(gong)(gong)耗工作。研究(jiu)人(ren)員(yuan)們開發了一(yi)種零功(gong)(gong)耗檢(jian)測器，可以在(zai)不需要混頻(pin)的(de)情況(kuang)下檢(jian)測太(tai)赫(he)茲電磁(ci)波，其探測器采用一(yi)對微型晶體管作為天(tian)線，消(xiao)耗的(de)功(gong)(gong)率(lv)非常(chang)小。
一(yi)旦接(jie)收到信(xin)號，他們開發的芯(xin)片會放大太赫茲(zi)信(xin)號，然后將模(mo)擬數據(ju)轉換為(wei)數字(zi)信(xin)號進行處理。這個數字(zi)信(xin)號攜(xie)帶一(yi)個令牌，它(ta)是一(yi)串(chuan)0和1組成的字(zi)符串(chuan)，如果令牌與喚醒接(jie)收器(qi)的令牌相對應，那么(me)將激活(huo)設備。
在多(duo)種(zhong)技術(shu)的(de)加持下(xia)，這(zhe)一芯片(pian)的(de)工作電(dian)壓為(wei)0.8V，功耗為(wei)2.88微瓦(wa)。在這(zhe)一功耗水平下(xia)，不(bu)論是采(cai)(cai)用微型電(dian)池(chi)，還是采(cai)(cai)用環境能力采(cai)(cai)集的(de)方案，均能對其形成有效(xiao)支持。
(3)加入身份驗證，保證安全機制
低功耗(hao)的(de)芯(xin)片也(ye)不會忘記設(she)置(zhi)安全(quan)機制。在大(da)多數(shu)喚(huan)醒接收器中(zhong)，同一(yi)個令牌會多次(ci)重復使用，給了竊聽(ting)攻(gong)擊者可乘之(zhi)機。破(po)解令牌后，黑客可以(yi)發送信號進行所謂(wei)的(de)拒(ju)絕睡(shui)眠攻(gong)擊，一(yi)次(ci)又(you)一(yi)次(ci)地激活設(she)備。
研(yan)究(jiu)人員解釋，有了喚醒接(jie)收器，設備的(de)壽命原本(ben)可(ke)(ke)以從一(yi)天(tian)提高到一(yi)個月，但攻(gong)擊(ji)者(zhe)可(ke)(ke)以使用(yong)拒絕睡眠的(de)攻(gong)擊(ji)，在(zai)不(bu)到一(yi)天(tian)的(de)時間內耗(hao)盡整個電池壽命。因(yin)此，MIT研(yan)究(jiu)人員在(zai)喚醒接(jie)收器中(zhong)加入了身份驗(yan)證模塊，拒絕攻(gong)擊(ji)。
這一身份(fen)驗證(zheng)模塊是利用(yong)算法對設備的令牌進行隨機化，每次使(shi)用(yong)與可(ke)信(xin)發(fa)送(song)者(zhe)共享(xiang)的密鑰。這個密鑰的作(zuo)用(yong)就(jiu)(jiu)像密碼(ma)，如果發(fa)送(song)者(zhe)知(zhi)道(dao)密碼(ma)，就(jiu)(jiu)可(ke)以(yi)用(yong)正確(que)的令牌發(fa)送(song)信(xin)號。研究人員(yuan)使(shi)用(yong)一種輕量級加密技術實(shi)現(xian)了這種密鑰，該技術確(que)保整(zheng)個身份(fen)驗證(zheng)過(guo)程只需(xu)額外消(xiao)耗幾納瓦的功率。
(4)進一步提升的通信效率
研究人(ren)員(yuan)向喚醒接(jie)(jie)收(shou)(shou)器(qi)發送太赫(he)(he)茲信(xin)號(hao)進行(xing)了測(ce)(ce)(ce)試(shi)，同時(shi)不斷(duan)增加(jia)芯片和太赫(he)(he)茲源之間(jian)的(de)距(ju)離(li)。通(tong)過這(zhe)種方式，他們測(ce)(ce)(ce)試(shi)了這(zhe)款接(jie)(jie)收(shou)(shou)器(qi)的(de)靈(ling)敏度，即設備(bei)成功檢測(ce)(ce)(ce)信(xin)號(hao)所需要的(de)最小(xiao)信(xin)號(hao)功率，最終實驗是比現有接(jie)(jie)收(shou)(shou)器(qi)遠5-10米的(de)接(jie)(jie)收(shou)(shou)距(ju)離(li)，在1.02kbps的(de)數據速率下(xia)保持低至(zhi)-48dBm的(de)靈(ling)敏度。
為(wei)了達到(dao)最(zui)有效的(de)結果(guo)，太赫(he)茲(zi)信(xin)(xin)號(hao)需要直(zhi)接擊中(zhong)探測器(qi)，如果(guo)芯片處于(yu)一(yi)個傾斜角度，將丟(diu)失部分信(xin)(xin)號(hao)。因(yin)此，研究(jiu)人員將他們開發(fa)的(de)接收(shou)器(qi)與(yu)太赫(he)茲(zi)波(bo)束可控陣列配(pei)對，以(yi)精(jing)確地引導太赫(he)茲(zi)信(xin)(xin)號(hao)。通過(guo)這種方(fang)式(shi)，能夠以(yi)最(zui)小的(de)信(xin)(xin)號(hao)損耗(hao)發(fa)送到(dao)多個芯片。
未來，研究(jiu)人員希望解決信號(hao)衰減(jian)的(de)(de)問題。如(ru)果他(ta)們能找(zhao)到一(yi)種方法，在接收器芯(xin)片輕(qing)微(wei)移動或傾斜時保持信號(hao)強度，就(jiu)能進一(yi)步提高(gao)這(zhe)些(xie)器件的(de)(de)性能。他(ta)們還將在非常小的(de)(de)傳感器中驗證這(zhe)一(yi)喚醒接收器，并對該技(ji)術進行微(wei)調，以(yi)便應用于現實(shi)世界(jie)的(de)(de)設備。
面向6G的無源物聯網系統
當然，僅(jin)僅(jin)有(you)了(le)基于太赫(he)(he)茲(zi)的(de)接收芯片還不足以(yi)完全支持(chi)(chi)無(wu)源物聯網系(xi)統的(de)運行。MIT的(de)研(yan)究團隊也表示他們已建立起一系(xi)列技(ji)術(shu)組(zu)合，能(neng)夠支持(chi)(chi)微型(xing)、超低功耗(hao)的(de)傳感物聯網系(xi)統，這些技(ji)術(shu)組(zu)合中包括基于太赫(he)(he)茲(zi)的(de)反向散射通信、能(neng)量采集技(ji)術(shu)和(he)太赫(he)(he)茲(zi)波(bo)束管理等(deng)，在能(neng)量管理、數據傳輸等(deng)方面打下(xia)基礎。
截至當前，3GPP R18已(yi)將無(wu)源物(wu)聯(lian)網列為研究課題，預計R19版(ban)本(ben)中將形成首個基于蜂(feng)窩(wo)網絡的(de)無(wu)源物(wu)聯(lian)網標(biao)準，屆時5.5G網絡能夠支持(chi)無(wu)源物(wu)聯(lian)網的(de)能量采集(ji)、反(fan)向散射等。
目前(qian)，全球主要經濟體(ti)已啟動了6G的(de)(de)(de)前(qian)期研究，采用(yong)太赫(he)(he)(he)茲(zi)通信(xin)技(ji)術(shu)已成為(wei)一(yi)個共識。根據(ju)IMT 2030(6G)推進組(zu)發布的(de)(de)(de)《6G總(zong)體(ti)愿景與(yu)潛在關鍵技(ji)術(shu)白皮書(shu)》，太赫(he)(he)(he)茲(zi)頻段(duan)(0.1~10THz)位于微波與(yu)光波之間，頻譜(pu)資源極為(wei)豐富，具有(you)傳輸速(su)率(lv)高(gao)(gao)、抗(kang)干(gan)擾能力強和易(yi)于實(shi)現通信(xin)探測一(yi)體(ti)化等特(te)點，重點滿足Tbps量級大容量、超高(gao)(gao)傳輸速(su)率(lv)的(de)(de)(de)系(xi)統需求(qiu)。其(qi)中，微小尺寸通信(xin)(片間通信(xin)及納米通信(xin))是一(yi)個潛在的(de)(de)(de)應用(yong)場(chang)景，而小型化、低成本、高(gao)(gao)效率(lv)的(de)(de)(de)太赫(he)(he)(he)茲(zi)收發架構是亟待解決的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)問題(ti)。
本次MIT團隊推出的新型接收器，可以說是太赫茲通信器件的一個突破。“萬物智聯，數字孿生”是(shi)未(wei)(wei)來6G的(de)愿景，無(wu)(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)作為海(hai)量設(she)備連(lian)接的(de)基礎，也(ye)是(shi)未(wei)(wei)來6G標準的(de)重點方向之(zhi)一。基于太(tai)赫茲的(de)微小尺寸、超低功耗(hao)通信構成了6G無(wu)(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)技術的(de)組(zu)成部分，在未(wei)(wei)來6G太(tai)赫茲商用后，能夠(gou)顯著發揮作用，充分利用6G太(tai)赫茲基礎設(she)施，擴(kuo)大(da)無(wu)(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)涵蓋的(de)范圍，推動6G網(wang)絡“應聯(lian)盡聯(lian)”的(de)實現。
當然，太赫茲(zi)通信(xin)需要解決的關(guan)鍵核心技術及難點問(wen)題還很多，MIT本次探(tan)索可以說(shuo)是為6G無(wu)源物(wu)聯系統提供了有益參考(kao)，相信(xin)未(wei)來(lai)針對6G無(wu)源物(wu)聯會產生大量(liang)的創新(xin)，助(zhu)推“萬(wan)物(wu)智(zhi)聯，數字(zi)孿生”愿景的到(dao)來(lai)。
